全文摘要
本实用新型公开了一种基于两次成像的透明投影屏幕，包括屏幕光学组件，屏幕光学组件包括屏幕光学部件、屏幕封装件、无玻璃红外触摸屏，屏幕光学部件从其朝向投影仪一侧到其相对侧依次包括无缝隙平铺对接的AG玻璃、全息投影膜、PDLC可调光膜、单向透视膜和超白玻璃；无玻璃红外触摸屏设置于AG玻璃朝向投影仪一侧表面；屏幕封装件封装在屏幕光学部件、无玻璃红外触摸屏的四周，将屏幕光学部件及无玻璃红外触摸屏四周密封封装。本实用新型利用全息投影膜进行一次成像投影图像，利用PDLC可调光膜进行二次成像，将二次成像叠加在一次成像上，在保证投影屏透视效果的同时，增强成像效果。
主设计要求
1.一种基于两次成像的透明投影屏幕，其特征在于，包括屏幕光学组件，屏幕光学组件包括屏幕光学部件、屏幕封装件、无玻璃红外触摸屏，所述屏幕光学部件从其朝向投影仪一侧到其相对侧依次包括无缝隙平铺对接的AG玻璃、全息投影膜、PDLC可调光膜、单向透视膜和超白玻璃，利用全息投影膜进行投影图像的一次成像，以此作为基本图像，并再次利用透过的投影光线在PDLC可调光膜进行二次成像，将二次成像叠加在一次成像上，以增强成像效果；所述无玻璃红外触摸屏设置于AG玻璃朝向投影仪一侧表面；所述屏幕封装件封装在屏幕光学部件、无玻璃红外触摸屏的四周，将屏幕光学部件及无玻璃红外触摸屏四周密封封装。
设计方案
1.一种基于两次成像的透明投影屏幕，其特征在于，包括屏幕光学组件，屏幕光学组件包括屏幕光学部件、屏幕封装件、无玻璃红外触摸屏，所述屏幕光学部件从其朝向投影仪一侧到其相对侧依次包括无缝隙平铺对接的AG玻璃、全息投影膜、PDLC可调光膜、单向透视膜和超白玻璃，利用全息投影膜进行投影图像的一次成像，以此作为基本图像，并再次利用透过的投影光线在PDLC可调光膜进行二次成像，将二次成像叠加在一次成像上，以增强成像效果；
所述无玻璃红外触摸屏设置于AG玻璃朝向投影仪一侧表面；
所述屏幕封装件封装在屏幕光学部件、无玻璃红外触摸屏的四周，将屏幕光学部件及无玻璃红外触摸屏四周密封封装。
2.根据权利要求1所述的基于两次成像的透明投影屏幕，其特征在于，所述AG玻璃的反射率≤4%，全息投影膜的透光率≥99%， PDLC可调光膜的最大透光率≥88%， 单向透视膜的最大单向透光率≥60%，超白玻璃的透光率≥92%，增强现实可调透明投影屏的综合透光率≥47%。
3.根据权利要求1所述的基于两次成像的透明投影屏幕，其特征在于，所述无玻璃红外触摸屏包括红外发射器和红外接收器，在AG玻璃一侧的顶部与左侧设置有若干个规律排布的红外发射器，相对侧设置红外接收器，每一个红外发射器均对应一个红外接收器，所述红外发射器发射的红外线在不可见光频段。
4.根据权利要求1所述的基于两次成像的透明投影屏幕，其特征在于所述PDLC可调光膜连接有电源线，并在电源线上设置电源调节器。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及一种基于两次成像的透明投影屏幕，具体是一种用于在自然光情况下，实现实景增强现实的可调节透视效果和显示效果的透明投影屏幕，属于增强现实显示技术领域。
背景技术
增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)作为近期及将来一个时期重要的人机交互及信息显示技术手段，广泛应用于民用、商用和军事领域，特别在航空、航天、海洋工程、石油化工、通信、建筑、广告、游戏、旅游教育等行业，其研发应用方兴未艾。AR技术通过将计算机生成的虚拟物体、场景、系统提示信息，或者将来自多种感知设备或探测设备的信息（以上统称增强信息）叠加到真实场景中，使得用户在观看实景画面的同时获得额外信息，从而实现对现实的增强。
目前，AR技术从显示技术上分，主要有以下几种形式：一是透过头戴显示系统和注册（用户观察点和计算机生成虚拟物体的定位）系统相结合的形式来实现；二是通过摄像装置录取实景，叠加上增强信息，通过显示屏显示复合图像和信息来实现。三是通过OLED、LCD等液晶透明屏显示增强信息，与屏后的真实环境叠加后来实现。目前这几种实现方式均在实现效果上有很多不足，在实际应用中受到很大限制。第一种方式（头戴显示），这种方式通过头戴式装夹具（一般为头盔或镜架），在观察者眼前近距离内固定一小片镜片，在镜片上投射增强信息，这些信息与观察者透过镜片看到的真实世界实景叠加后，实现增强现实显示效果，这种显示方式只能个人配戴，且装置组成相对复杂，成本较高，配戴后舒适性（如产生眩晕感、强背景光线情况下显示效果不佳等）方面用户体验不佳，目前主要应用于专业领域，也有应用于商用高端领域，但不广泛，在公众和工程方面的应用很少；第二种方式（摄像显示）虽技术相对简单，实现成本低，但因为各种显示屏是不透明的，这样的显示屏只能呈现摄像头摄取的画面，而不能同时呈现屏幕后的真实世界环境，无法真实地叠加增强信息和现实世界的画面，而且受制于摄像头的一些性能影响，效果大打折扣，目前虽应用较为广泛，但主要集中于消费类电子产品简单应用，专业领域、公众和工程应用方面很少有采用；第三种方式（透明屏显示）虽实现了在现实世界上叠加增强信息，但实现技术复杂，目前自发光OLED屏存在着透明屏技术不普及、成本高昂、受自然光影响大、屏的尺寸受限（如目前OLED屏尺寸规格少，很难定制）等问题，在实际开发应用中受到极大限制；而目前广泛应用于广告箱的LCD透明屏，虽技术成熟，价格低廉，但也存在着多层光栅导致的透视后实景产生叠影和光晕，无背光导致屏显增强信息暗淡等无法克服的缺陷，只能应用于广告箱等封闭环境中，在自然开放的环境中无法应用，因此，目前这一方式在实际开发应用中受到极大限制，没有成熟的产品推出。
实用新型内容
为了解决上述存在的问题，本实用新型公开了一种基于两次成像的透明投影屏幕，其具体技术方案如下：
一种基于两次成像的透明投影屏幕，包括屏幕光学组件，屏幕光学组件包括屏幕光学部件、屏幕封装件、无玻璃红外触摸屏，所述屏幕光学部件从其朝向投影仪一侧到其相对侧依次包括无缝隙平铺对接的AG玻璃、全息投影膜、PDLC可调光膜、单向透视膜和超白玻璃，利用全息投影膜进行投影图像的一次成像，以此作为基本图像，并再次利用透过的投影光线在PDLC可调光膜进行二次成像，将二次成像叠加在一次成像上，以增强成像效果；
所述无玻璃红外触摸屏设置于AG玻璃朝向投影仪一侧表面；
所述屏幕封装件封装在屏幕光学部件、无玻璃红外触摸屏的四周，将屏幕光学部件及无玻璃红外触摸屏四周密封封装。
进一步的，所述AG玻璃的反射率≤4%，全息投影膜的透光率≥99%， PDLC可调光膜的最大透光率≥88%， 单向透视膜的最大单向透光率≥60%，超白玻璃的透光率≥92%，增强现实可调透明投影屏的综合透光率≥47%。
进一步的，所述无玻璃红外触摸屏包括红外发射器和红外接收器，在AG玻璃一侧的顶部与左侧设置有若干个规律排布的红外发射器，相对侧设置红外接收器，每一个红外发射器均对应一个红外接收器，所述红外发射器发射的红外线在不可见光频段。
进一步的，所述PDLC可调光膜连接有电源线，并在电源线上设置电源调节器。
本实用新型增强现实可调透明投影屏的具体使用过程为：具体包括以下操作步骤：
步骤1：安装投影仪和投影屏：投影屏的AG玻璃一侧朝向投影仪，超白玻璃一侧朝向室外，观察者从AG玻璃一侧观看；
步骤2：调节屏幕光学组件的透明度：给屏幕光学组件的通电，将PDLC可调光膜调至最大透明状态；
步骤3：投影成像：投影仪投出的光线在全息投影膜一次成像，当超白玻璃一侧外部光线较亮时，调节PDLC可调光膜的雾度，投影仪投出的光线在PDLC可调光膜上二次成像，观察投影效果和透视效果至最佳状态；
步骤4：透视成像：因为AG玻璃、全息投影膜、PDLC可调光膜、单向透视膜和超白玻璃均为透明状态，观察者用眼睛能够观察到室外的真实场景，室外的真实场景与步骤3所得的成像融合，进入观察者视线；
步骤5：动态调节：随着室外光线的方向和强度的变化，调节PDLC可调光膜的雾度，使观察投影效果和透视效果至最佳状态。
当本实用新型投影屏应用作为双面透视投影屏的场景时，其工作方式为：投影屏的AG玻璃一侧朝向投影仪，屏通电，根据环境光线强弱适度调整PDLC可调光膜雾度，PDLC可调光膜呈透明状态。此时观察者从投影屏两侧观看，观察者所看图像均为一次成像和二次成像形成的叠加图像。两侧成像效果均强于仅用全息投影膜投影的成像效果，因此可以在室内高照度情况下观看，而这一点是仅用全息投影膜一次成像无法实现的。
当本实用新型投影屏应用作为普通投影屏的场景时，具体有如下两种投影方式：
（1）正投工作方式：投影屏的AG玻璃一侧朝向投影仪，屏可不通电工作，或通电调至雾度最大状态，此时PDLC可调光膜呈不透明状态，观察者从AG玻璃一侧观看，所看图像为一次成像和二次成像形成的叠加图像，该图像优于仅用全息投影膜的成像，因此可以在室内高照度情况下观看，而这一点是仅用全息投影膜一次成像无法实现的；
（2）背投工作方式：投影屏的AG玻璃一侧朝向投影仪，并置为背投方式，屏可不通电工作，或通电调至雾度最大状态，此时PDLC可调光膜呈不透明状态，观察者从超白玻璃一侧观看，所看的图像为二次成像形成的图像，此种工作方式下，需要环境照度较低。
本实用新型的工作原理是：
本实用新型利用全息投影膜进行投影图像的一次成像，以此作为基本图像，并再次利用透过的投影光线在PDLC可调光膜进行二次成像，将二次成像叠加在一次成像上，以增强成像效果。而二次成像的效果受PDLC可调光膜的雾度影响，雾度越大，透过的投影光线越少，漫反射越多，成像效果越好，反之亦然。PDLC可调光膜的雾度是无级可调的，这就可以根据超白玻璃一侧的光线强度来进行人工（或自动）调节，当超白玻璃一侧的光线强度变大时，一次成像效果会弱化，需要补强，此时调大PDLC可调光膜的雾度，增强二次成像效果作为补充，同时PDLC可调光膜的透明度会随雾度的增大而下降，以此来进一步抑制从超白玻璃一侧进入的光线（单向透视膜已定量的削弱了外部光线强度），实现在保证屏幕一定透视性的前题下，综合成像效果最佳。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型用透视投影显示方式实现既能直接透过屏幕观察到真实世界实景，又能在屏上叠加相应的信息或图像，用透明投影显示的方式解决增强现实的显示问题。
2. 解决目前透视投影仅能在暗环境下成像显示的问题，能够在面向亮环境单面投影成像，并可无级调整显示屏的透明度和成像的清晰度。
3. 解决在逆光环境下透视投景屏的成像问题，在室外强光、逆光和太阳照射条件下，可同时实现透视和清晰成像，并可根据环境光线的强弱无级调整显示屏的透明度和成像的清晰度。
4. 解决在不同光线条件下，透视投景屏成像效果的调节问题。
5. 能够在较暗环境中，作为投影屏的双向透明与双面成像。
6. 能够用作普通投影屏使用，实现正投与背投。
7. 解决现有增强现实显示方法不能满足特殊使用需求下屏幕尺寸、形状实现异形的问题，满足通过根据客户要求定制尺寸的透视投影屏，以实现从室内向室外观察时的开放式的增强现实显示特殊需求。
8. 可广泛应用于旅游、建筑、广告、交通运输等行业，在民用、军用领域均可使用，如船舶驾驶室对水面物体（船舶、灯塔、航标、岛礁等）、控制室的增强现实显示等；旅游景点观景点面向游客的增强现实显示。
附图说明
图1是本实用新型的分解图，
图2是本实用新型的纵向截面图（即图1中的A-A向截面图）
附图标记列表：1—无玻璃红外触摸屏，2—AG玻璃，3—全息投影膜，4—PDLC可调光膜，5—单向透视膜，6—超白玻璃，7—电源线，8—屏幕封装件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型。应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
实施例1：
本实用新型基于两次成像的透明投影屏幕包括屏幕光学组件，屏幕光学组件包括屏幕光学部件、屏幕封装件、无玻璃红外触摸屏。结合附图1和2可见，本增强现实可调透明投影屏从一侧到另一侧的屏幕光学部件依次包括无缝隙平铺对接的AG玻璃2、全息投影膜3、PDLC可调光膜4、单向透视膜5和超白玻璃6，其中AG玻璃2一侧朝向投影仪，使用时，从AG玻璃2一侧朝向投影屏上投影，利用全息投影膜3进行投影图像的一次成像，以此作为基本图像，并再次利用透过的投影光线在PDLC可调光膜4进行二次成像，将二次成像叠加在一次成像上，以增强成像效果。
PDLC可调光膜4连接有电源线7，并在电源线7上设置电源调节器。PDLC可调光膜4根据不同的电压和相应占空比的交流信号，呈现不同的雾度和透明度，当电压为0，占空比为0， PDLC可调光膜4雾度最大，呈不透明状态，当电压和占空比为某一特定值时，雾度最小，呈最透明状态，透明度约88%，中间相应的值对应相应的雾度和透明度，符合调光曲线。在实际使用时，根据使用场景，当需要PDLC可调光膜4不透明时，可以不接通电源，当需要PDLC可调光膜4有一定透明度时，通过调整电源调节器调整电压和占空比，来实现调节PDLC可调光膜4的透明度。
当外部实景（即超白玻璃6一侧）环境光线过亮，特别是逆光（超白玻璃6一面的光线过亮）时，由于投影仪成像亮度与实景光线亮度对比度下降，也就是信噪比下降时，观察者看到的投影仪成像质量下降（主要是图像对比度下降），投影图像变得不清晰，此时，单向透视膜5已对外部光线进行了阻隔，降低了外部光线的亮度，形成了一个相对的“暗环境”，提升信噪比；同时，可通过调整电源调节器，改变PDLC可调光膜4的雾度（即是通过提升调光膜雾度，降低其透光性，让更多的投影光线在调光膜上二次成像，调光膜雾度越大，二次成像效果越好，一次成像是在全息投影膜3上），来增强投影成像效果，随着PDLC可调光膜4的雾度增加，可抑制从超白玻璃一侧进入的光线，进一步提升信噪比，增强投影效果。雾度提升也会造成PDLC可调光膜4透光率和透明度会有所降低，但外部实景由于环境光线增强，通过光学部件的光通量仍维持在较高量值，对观察者观看外部实景影响不大。因此，通过调整电源调节器致透明度与成像效果达到观察者认可的最佳状态（基于每个观察者视觉对图像感受有差异）来抑制逆光或环境亮度过强的影响。
本实用新型对投影屏的各层光学组件的厚度并无特殊要求，其中图2也仅作为表示各层的顺序，并不用于限制各层之间的厚度关系，但是为达到本实用新型目的，对投影屏的各层光学组件的一些特定的参数有要求，比如AG玻璃2的反射率≤4%，全息投影膜的透光率≥99%， PDLC可调光膜4的最大透光率≥88%， 单向透视膜5的最大单向透光率≥60%，超白玻璃6的透光率≥92%。
现有投影屏都是通过屏表面材料（如白色涂料、白色布料、超细玻璃珠等）对投影仪投出的光线进行漫反射，直接形成图像，我们称此过程为一次成像。本实用新型主要用于从较暗的环境向较亮的环境观察，要兼顾成像效果与透明度，但两者之间是一对矛盾。由于本实用新型所使用的环境是一个开放的、环境光方向和强度会不断变化的环境（主要是从暗处向亮处观看），这与现有投影屏一般工作在一个环境光线稳定且强度很低的暗环境有很大不同。为了解决这两个问题，即：1、解决成像效果与透明度兼顾的问题，2、适应开放的、光线方向和强度会不断变化的环境的问题，通过分析、选材和设计，开发了投影屏可控二次成像技术。投影仪光线（使是投影仪亮度调到最大），通过AG玻璃2，在约衰减1%后，在全息投影膜3上成像，这是一次成像。全息投影膜3的一个物理特性是：在成像的同时，可让99%的光线通过，这就解决了成像效果与透明度兼顾的问题。但全息投影膜3的另外的物理特性是：在光线明亮的环境中，显示质量会下降，图像发灰，为解决这一新问题，在全息投影膜3后增加单向透视膜5（也称半反膜）来为全息投影膜3创造一个相对的“暗环境”以提升一次成像效果。另外，全息投影膜3的一次成像效果是固化的，不能适应开放的，光线方向和强度会不断变化的环境，因此，紧贴着全息投影膜3后增加PDLC可调光膜4，让通过AG玻璃2和全息投影膜3的投影光线在PDLC可调光膜4再次成像，叠加后以增强全息投影膜3一次成像的效果。为了兼顾成像效果与透明度兼顾的问题，在环境光线较暗时，一次成像已能保证成像效果，将PDLC可调光膜4调成最小雾度和最大透明度状态（透明度≥88%），尽可能增加从超白玻璃6一侧进入观察者眼睛的真实世界的光线，一次成像效果已能保证；当环境光线较亮时，通过调高PDLC可调光膜4的雾度、降低透明度，让更多的投影光线在PDLC可调光膜4上漫反射，以提高二次成像的效果并叠加在一次成像上，同时降低的透明度，阻止更多的从超白玻璃6一侧进入的外部光线到全息投影膜3上，增加“暗环境”的暗度，进一步提升一次成像效果，让这些材料特性得以发挥和相互作用产生新的效果，以及在PDLC可调光膜4上再次成像的过程的实现，就是本实用新型的核心技术：“投影屏可控二次成像技术”，通过这一技术，解决了适应开放的，、光线方向和强度会不断变化的环境的问题。
当外部环境光线较暗时，PDLC可调光膜4透明度调至最高，不影响观察投影屏背面的实景，当外部环境光线变亮，亦即光线强度增加时，调低PDLC可调光膜4透明度至某一合适值，抑制部分光线，但保证进入观察者眼睛的光强保持在不低于在环境光线较暗时进入观察者眼睛的光强度，仍可保证透过投影屏观察真实世界实景的效果，这一点在本实用新型的试验中已得到验证。
实施2：
为了增加本实用新型应用时的整体感觉效果，在所有的屏幕光学组件四周安装有屏幕封装件8，屏幕封装件8将屏幕光学部件与无玻璃红外触摸屏四周密封封装。
实施3：
为了增加本实用新型在实际应用时的人机交互功能，AG玻璃2朝向投影仪一侧面设有无玻璃红外触摸屏1。AG玻璃朝向投影仪一侧面设有无玻璃红外触摸屏，所述无玻璃红外触摸屏包括红外发射器和红外接收器，在AG玻璃一侧的顶部与左侧设置有若干个规律排布的红外发射器，相对侧设置红外接收器，每一个红外发射器均对应一个红外接收器。所述红外发射器发射的红外线在不可见光频段。
实施例4：本实用新型的实际应用
1、当本专利投影屏应用于室内弱光室外强光的场景时
（1）投影屏的AG玻璃一侧朝向投影仪，超白玻璃一侧朝向室外，观察者从AG玻璃一侧观看；
（2）给屏幕光学组件通电，将PDLC可调光膜调至最大透明状态；
（3）投影仪投出的光线在全息投影膜一次成像，当超白玻璃一侧外部光线较亮时，调节显示效果调节器，将PDLC可调光膜调到一定雾度，投影仪投出的光线在PDLC可调光膜调二次成像，使观察投影效果和透视效果至最佳状态。
（4）随着光线的方向和强度的变化，调节显示效果调节器，使观察投影效果和透视效果至最佳状态。
2、当本专利投影屏应用于全室内的场景时
此场景一般用于监控室，其工作过程和第1种应用情况的（1）、（2）、（3）一样。当室内低照度室，一次成像基本能保证；当室内高照度室，可通过调节二次成像至效果最佳。
3、当本专利投影屏应用作为普通投影屏的场景时
（1）正投工作方式：投影屏的AG玻璃一侧朝向投影仪，屏可不通电工作（或通电调至雾度最大状态），此时PDLC可调光膜呈不透明状态，观察者从AG玻璃一侧观看，所看图像为一次成像和二次成像形成的叠加图像，该图像强于仅用全息投影膜的成像，因此可以在室内高照度情况下观看，而这一点是仅用全息投影膜一次成像无法实现的；
（2）背投工作方式：投影屏的AG玻璃一侧朝向投影仪，并置为背投方式，屏可不通电工作（或通电调至雾度最大状态），此时PDLC可调光膜呈不透明状态，观察者从超白玻璃一侧观看，所看图像二次成像形成的图像，此种工作方式下，需要环境照度较低。
本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920667015.1
申请日:2019-05-10
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:31(上海)
授权编号:CN209746346U
授权时间:20191206
主分类号:G03B21/56
专利分类号:G03B21/56;G03B21/00
范畴分类:申请人:上海瀚沧科技有限公司
第一申请人:上海瀚沧科技有限公司
申请人地址:201900 上海市宝山区高逸路112-118号3幢6892室
发明人:孙明;陈炫旻
第一发明人:孙明
当前权利人:上海瀚沧科技有限公司
代理人:张艳
代理机构:32273
代理机构编号:南京苏创专利代理事务所(普通合伙) 32273
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类型名称:外观设计